玻璃態(tài)高聚物的非線性蠕變與物理老化行為.pdf

1、高聚物被淬火到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以下時，材料將在一個很長時間內(nèi)處于非平衡態(tài)，其結(jié)構(gòu)將隨時間演化直至達(dá)到平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為物理老化。隨著老化時間的增加，材料的介電性能、熱學(xué)性能和力學(xué)性能都相應(yīng)地都會發(fā)生變化，如介電常數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容、蠕變?nèi)崃亢涂估瓘?qiáng)度等。高聚物和高聚物基復(fù)合材料正越來越廣泛地作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用在許多工程領(lǐng)域，且絕大部分的服役溫度低于Tg，因此這些材料的物理老化行為已經(jīng)越來越多地受到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注。本文著重研

2、究高聚物物理老化對材料力學(xué)性能的影響。
　　 高聚物的力學(xué)性能是時間相關(guān)的，強(qiáng)烈地依賴于分子鏈的運(yùn)動活性。分子鏈的運(yùn)動活性則受溫度、應(yīng)力和老化時間的影響。蠕變是材料在恒定載荷作用下的時間相關(guān)的變形行為。除體積松弛和熱焓松弛測量外，觀測蠕變?nèi)崃康淖兓彩强疾煳锢砝匣囊环N非常普遍有效的方法。本文研究聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在不同老化和不同應(yīng)力條件下的蠕變行為，同時，通過常應(yīng)變率拉伸測試得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線考察材料初始瞬時彈性模量

3、（E）和斷裂強(qiáng)度（σf）隨老化時間（te）的變化規(guī)律。
　　 在蠕變測試和常應(yīng)變率拉伸測試前，試件首先被加熱到115℃，約高于Tg 10℃，并保溫30 分鐘以消除以前的熱力歷史，使所有試件均處于相同熱力狀態(tài)。然后迅速降溫至不同的老化溫度（Τa）下進(jìn)行老化。老化溫度分別為60℃，40℃和27℃，老化時間最長超過1000 小時，所有溫度誤差控制在±1℃以內(nèi)。
　　 材料在固定老化時間不同應(yīng)力作用下(14MPa≥)的蠕變測試結(jié)

4、果表明，材料的蠕變?nèi)崃壳€互不重合，說明材料的蠕變行為是非線性的。我們應(yīng)用時間-應(yīng)力等效原理來分析這種非線性行為，通過把高應(yīng)力下的曲線向低應(yīng)力（14MPa）下的曲線進(jìn)行移位構(gòu)建了蠕變?nèi)崃恐髑€。主曲線涵蓋的時間標(biāo)度與試驗時長相比增大約兩個數(shù)量級，表明時間-應(yīng)力等效原理可用來對黏彈性材料的力學(xué)性能進(jìn)行加速表征。
　　 簡要介紹了幾個重要的非線性黏彈性蠕變模型，并采用其中的Findley 模型和Struik 模型對PMMA（Τa=4

5、0℃，te=4h）在27℃不同應(yīng)力下的非線性蠕變行為進(jìn)行分析，通過遺傳算法確定了模型參數(shù)。結(jié)果表明，F(xiàn)indley 模型和Struik 模型均能很好地擬合試驗數(shù)據(jù)。此外，我們將Findley 模型和Struik 模型的模型預(yù)報結(jié)果與通過時間-應(yīng)力等效原理得到的蠕變?nèi)崃恐髑€進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在105s 內(nèi)模型預(yù)報結(jié)果與主曲線基本吻合，當(dāng)時間超過105s時，模型預(yù)報結(jié)果略高于主曲線。
　　 研究了不同應(yīng)力（15MPa、20MPa、25

6、MPa和30MPa）和不同老化時間下PMMA的非線性蠕變行為，討論了老化時間的影響。結(jié)果表明，材料的等時蠕變?nèi)崃侩Slog te而線性遞減；同時蠕變?nèi)崃壳€可以沿對數(shù)時間軸平移而疊加到參考狀態(tài)曲線上，說明時間-老化時間等效原理是適用的。本文取最長的老化時間為參考狀態(tài)，通過老化移位因子(φa)構(gòu)建了每個應(yīng)力下的主曲線，移位因子與老化時間在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上呈現(xiàn)線性關(guān)系，其負(fù)斜率（μ）就是老化移位率。老化移位率隨應(yīng)力的增大而減小。